110kV Transformer Nulrækkebeskyttelse: Problemer & Forbedringsforanstaltninger

Problemer med nul-sekvens beskyttelse af 110 kV-transformatorer

I et effektivt jordet system er spændingen mellem neutral og jord for en transformator begrænset til et bestemt niveau, og neutralpunktets gap-beskyttelse aktiveres ikke. Formålet med at installere gap-beskyttelse er at undgå skade på transformatorisoleringen, som kan opstå på grund af højt nul-sekvensspænding i systemer, der ikke er effektivt jordet. Gapet udløser kun, når der opstår en enefase jordfejl, alle direkte jordede neutralpunktstransformatorer er udløst, og energiforanledede transformatorer med ujordede neutralpunkter fortsætter med at være forbundet til det defekte net. I dette tilfælde udløser gapet for at reducere spændingen mellem neutral og jord og undgå isoleringsskader.

Gapnedbrydning genererer imidlertid klippebølger, som er skadelige for transformatorens vindingsisolering. Derfor er det foretrækkeligt, at nul-sekvens overspændingsbeskyttelse – og ikke gapstrømsbeskyttelse – udløser transformatorerne, når nul-sekvensspændingen stiger på grund af en enefase jordfejl. Imidlertid indebærer gapstrømsbeskyttelsen en vis grad af tilfældighed og kan fejle at virke af forskellige årsager. Set fra dette perspektiv er nul-sekvens overspændingsbeskyttelse mere kritisk end gapstrømsbeskyttelse for at beskytte transformatorneutralpunktets isolering.

Typisk bruges nul-sekvens overspændingsbeskyttelse og gapstrømsbeskyttelse sammen for at danne et komplet neutralpunkt isoleringsbeskyttelsessystem. Derfor er det utilstrækkeligt at installere kun gapstrømsbeskyttelse uden nul-sekvens overspændingsbeskyttelse – især under intermittente gapnedbrydninger, hvor udslipstrømmen ikke kan vedligeholdes, hvilket gør gapstrømsbeskyttelsen ineffektiv.

De fleste nuværende 110 kV-understations er udstyret med kun neutralpunkt stavgap, men mangler tilsvarende beskyttelsesrelæ. Denne konfiguration er ufordelagt. Når nettets nul-sekvensspænding nærmer sig den nominale fasespænding, oplever alle ujordede neutralpunkttransformatorer samtidig nul-sekvens overspænding. Hvis en terminaltransformator uden gap overstrømmebeskyttelse har sin neutralpunktsgap udløst for tidligt – og udslippet kan ikke vedligeholdes – vil den energiforanledede ujordede neutralpunkttransformator fortsætte med at være forbundet til det defekte net.

Derfor bør for terminaltransformatorer uden lavspændingskilde, hvis der ikke er installeret komplet gapstrømsbeskyttelse og nul-sekvens overspændingsbeskyttelse, enten fjernes den oprindelige neutralpunkt stavgap eller øges dens afstand bevidst for at undgå for tidligt udslip.

For understationer med interne bro-forbindelser er den konventionelle praksis at bruge den første tidsindstilling af den neutralpunkt jordede transformators nul-sekvens strømbeskyttelse til at udløse bryder 900 og 100 busbar-forbindelsen ikke optimal. Når lavspændingssiderne fungerer parallelt, resulterer udløsningen af bryder 900 i unødvendig tab af en busbar-sektion. Samtidig forbliver lavspændingsbryderen for den ujordede transformator lukket.

I mangel af nul-sekvens overspændingsbeskyttelse, hvis der findes en midlertidig lavspændingskilde (fx pga. 10 kV strømforskydning), er den ujordede transformator udsat for risiko for overspænding. Derfor, da tre-fase spændingsoverførere (VT'er) allerede er installeret på 110 kV-siden, er det en simpel og effektiv sikkerhedsforanstaltning at tilføje nul-sekvens overspændingsbeskyttelse.

Kontrol af metoder til jordning af transformatorneutralpunkter og forbedringsforanstaltninger for nul-sekvensbeskyttelse

Først skal det sikres, at 110 kV-systemet fungerer som et effektivt jordet system. Forebyggelse af forkert drift er den mest grundlæggende tilgang – at sikre, at 110 kV-neutralpunktet for kilde-enden af transformatorer er effektivt jordet. Hvis tilladt af beskyttelseskordinering, kan begge parallelle kilde-side transformatorers neutralpunkter være jordet samtidig.

Hvis en strømforsyningstransformator mister sit jordede neutralpunkt, kan systemet blive ikke-effektivt jordet. Derfor bør i designfasen kilde-enden transformatorer – eller de, der muligvis kan levere strøm i fremtiden – udstyres med komplet neutralpunkt gap-beskyttelse, herunder neutralpunkt nul-sekvens overstrømmebeskyttelse, neutralpunkt gap-strømbeskyttelse, og åben-delta nul-sekvens spændingsbeskyttelse på busbar.

På 110 kV udgående ledninger, uanset hvor mange transformatorer der er forbundet parallelt, kan terminaltransformatorer operere med ujordede neutralpunkter, så længe kilde-endens neutralpunkt er jordet. I den faktiske drift, for at mindske potentielle risici, kan et transformatorneutralpunkt være jordet. Når man vælger, hvilket neutralpunkt der skal jordes, bør følgende prioriteringsrækkefølge anvendes:

• Foretræk transformatorer, hvis lavspændingsside midlertidigt leverer strøm;

• Næste, overvej transformatorer, hvis højspændingsside mangler en bryder;

• Til sidst, vælg den transformator, der ligger nærmest strømkilden.

For de fleste allerede indsatte 110 kV-terminalunderstationer, der i øjeblikket mangler åben-delta nul-sekvens spændingsbeskyttelse (fra busbar VT'er) og neutralpunkt gap-strømbeskyttelse, bør de oprindelige installerede neutralpunkt stavgap enten fjernes eller deres afstand bevidst øges for at undgå for tidligt udslip.

For fremtidige 110 kV-understationer bør der overvejes tre-fase spændingsoverførere på højspændingssiden sammen med nul-sekvens overspændingsbeskyttelse og transformatorneutralpunkt gap-strømbeskyttelse. Denne konfiguration giver driftsflexibilitet og tilpasser sig fremtidige ændringer i netstrukturen.

For understationer med interne bro-forbindelser, bør den første tidsindstilling af hovedtransformatorens neutralpunkt nul-sekvens strømbeskyttelse udløse den anden ujordede transformator for at undgå at udvide afskæringområdet eller forårsage strømfrekvensoverspænding.